If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Какво е топлинна енергия?

Научи какво е топлинна енергия и как се изчислява.

Какво е топлинна енергия?

Топлинна енергия се отнася до енергията, която се съдържа в една система и е отговорна за нейната температура. Топлината е поток от топлинна енергия. Един цял раздел от физиката, термодинамика, се занимава с това как топлината се предава между различните системи и как се извършва работа в процеса (виж 1-вия закон на термодинамиката).
В контекста на задачите от механиката обикновено сме заинтересовани от ролята, която играе топлинната енергия в подсигуряването на запазването на енергия. Почти всяко пренасяне на енергия, което се случва в реални физични системи, се извършва с ефективност по-малка от 100 % и води до някаква топлинна енергия. Тази енергия обикновено е във вид на ниска топлинна енергия. Тук ниска означава, че температурата, свързана с тази топлинна енергия, е близка до тази на околната среда. Възможно е да се извлече работа, само когато има разлика в температурите, т.е. ниската топлинна енергия представлява "краят на пътя" на пренасянето на енергия. Невъзможна е по-нататъшна полезна работа; сега енергията е "изгубена в околната среда".

Топлинна енергия от триене

Нека разгледаме примера на човек, който бута кутия през груб под с постоянна скорост, както е показано на Фигура 1. Тъй като силата на триене е неконсервативна, извършената работа не се запазва като потенциална енергия. Цялата извършена работа от силата на триене води до прехвърляне на енергия в топлинна енергия на системата кутия-под. Тази топлинна енергия протича като топлина в кутията и в пода, като в крайна сметка повишава температурата и на двата обекта.
Фигура 1: Човек бута кутия, като се съпротивлява на триенето.
Намирането на промяната в общата топлинна енергия ΔET на системата кутия-под може да се извърши чрез намиране на общата работа, извършена от триенето, когато човекът бута кутията. Спомни си, че кутията се движи с постоянна скорост; това означава, че силата на триене и приложената сила са еднакви по големина. Извършената работа от двете сили следователно също е равна.
Като използвааме дефиницията за извършена работа от сила, успоредна на движението на обект, който преминава разстояние d:
W=Fd
ΔET=Fтриенеd
Ако коефициентът за кинетично триене е μk, тогава това може да се запише също като:
ΔET=μkFnd
Упражнение 1a: Да предположим, че човекът от Фигура 1 бута кутията, поддържайки постоянна скорост. Кутията има маса 100 kg и изминава разстояние от 100 m. Коефициентът на кинетично триене между кутията и пода е μk=0,3. Колко топлинна енергия ще се прехвърли в системата кутия-под?
Упражнение 1b: Когато човекът бута кутията, той разчита на триене между подметките на обувките си и пода. Има ли някаква промяна в топлинната енергия на обувките на човека, вследствие на бутането на кутията?

Топлинна енергия от плъзгане

Силата на плъзгане върху движещ се обект, причинена от флуид като въздуха или водата, е друг пример за неконсервативна сила.
Когато един обект се движи през флуид, част от импулса се прехвърля и флуидът се задвижва. Ако обектът спре да се движи, ще има някакво остатъчно движение на флуида. То ще затихне след време. Това, което се случва тук, е, че движенията от голям мащаб на флуида в крайна сметка се преразпределят в много по-малки случайни движения на молекулите на флуида. Тези движения представят повишена топлинна енергия в системта.
Фигура 2 показва система, в която топлинно изолиран резервоар за вода има вал, окачен на него. Две лопатки са прикрепени към вала, който е настроен да се върти по оста си. В тази система всяка извършена работа при завъртане на вала води до прехвърляне на кинетична енергия към водата. Ако се премахне движещата сила на вала след известно време, ще има някакво остатъчно движение. Обаче движението ще затихне накрая и ще се получи повишаване на топлинната енергия на водата.
Интересно е, че система, подобна на тази от Фигура 2, е била използвана от Джеймс Прескът Джаул (1818 – 1889), на когото е кръстена мерната единица по SI за енергия. Като използва колело с лопатки, потопено в резервоар за китово масло и задвижвано от падащи тежести, той е успял да определи връзката между механичната енергия и топлината. Това води до закона за запазване на енергията и 1-вия закон на термодинамиката.
Фигура 2: Колело с лопатки се върти в резервоар за вода.
Упражнение 2a: Да предположим, че колелото с лопатки, изобразено на Фигура 2, се завърта от електромотор с мощност 10 W за 30 минути. Колко топлинна енергия се прехвърля на водата?
Упражнение 2b (разширение): Ако резервоарът първоначално съдържа 1 L вода при температура 10C, тогава каква ще е температурата на водата, когато моторът е спрял и водата спре да се плиска?

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.